【摘 要】
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奶山羊产业是我国奶业的重要组成部分,在国家奶业振兴战略的推动下,我国奶山羊产业的发展呈蓬勃之势。智慧养殖是奶山羊产业发展的必由之路,通过智能化、规模化的技术监测圈舍养殖场景中奶山羊的生理状况,可以为奶山羊养殖过程中的管理和决策提供数据支持,优化养殖业管理模式,从而提升羊奶产量并增加养殖户收入。呼吸是奶山羊最基本和最重要的生理体征信息之一,常见的传染性疾病常表现为异常的呼吸模式,奶山羊养殖业中传染病
【基金项目】
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中国博士后科学基金面上项目“基于超声的无干扰式奶山羊肺炎识别方法研究”（编号:2020M673504）；
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奶山羊产业是我国奶业的重要组成部分,在国家奶业振兴战略的推动下,我国奶山羊产业的发展呈蓬勃之势。智慧养殖是奶山羊产业发展的必由之路,通过智能化、规模化的技术监测圈舍养殖场景中奶山羊的生理状况,可以为奶山羊养殖过程中的管理和决策提供数据支持,优化养殖业管理模式,从而提升羊奶产量并增加养殖户收入。呼吸是奶山羊最基本和最重要的生理体征信息之一,常见的传染性疾病常表现为异常的呼吸模式,奶山羊养殖业中传染病的高发会导致奶山羊群体大量死亡从而给养殖户造成较大的经济损失。因此,及时发现奶山羊患病个体,为养殖户争取时间及时介入治疗,阻断疾病传播,提高奶山羊存活率对我国智慧养殖业的发展具有重要意义。现有的接触式呼吸监测方法会干扰奶山羊自然状态且易造成设备的损坏,而非接触式呼吸监测方法存在对被测目标的位置和朝向及遮挡敏感、多目标呼吸监测能力不足的问题,难以较好的在实际中应用。针对以上问题,本研究采用声波感知方法,利用室内丰富的声学多径反射现象,基于系统冲激响应实现了对位置和朝向及遮挡鲁棒的奶山羊多目标静息呼吸监测。本研究的主要内容和结果如下:（1）声波多路同步收发平台设计。针对现有声波感知平台频响范围窄,会对奶山羊的日常状态产生干扰且不具备全向收发能力等不足,并能够满足收发信号高度同步、覆盖面广、便于通信、可便捷控制的需求,搭建声波多路同步收发平台。该平台主要包括USB声卡和声波多路发送设备,支持在20Hz～40k Hz频段内可定制声波信号的全向同步收发,收发采样率高达96k Hz。同时,该平台具有USB数据通讯接口,可被常见操作系统直接识别为通用音频设备,为奶山羊多目标静息呼吸监测系统提供平台支撑。（2）基于系统冲激响应的多目标静息呼吸监测方法设计。针对现有的非接触式多目标呼吸监测方法对被测目标位置和朝向及遮挡敏感的问题。本研究以声波信号为媒介,利用室内丰富的声学多径反射现象,提出基于系统冲激响应的全向多目标胸腹部起伏信号提取方法,利用声学系统冲激响应从麦克风收到的多径信号中提取经过胸腹部起伏的多径信号,并从中解调出胸腹部起伏信号,实现对被测目标位置和朝向及遮挡鲁棒的呼吸监测。同时,利用自相关函数构建高精度频率计算方法,实现可适应被测目标数量变化以及呼吸频率相近多个被测目标的呼吸监测,为多目标奶山羊静息呼吸监测系统提供方法支撑。（3）呼吸监测系统试验验证。基于声波多路同步收发平台和基于系统冲激响应的多目标呼吸监测方法,本研究设计并构建奶山羊多目标呼吸监测系统,对静息状态下的奶山羊进行呼吸监测并同时通过摄像头记录奶山羊的真实呼吸,对比呼吸监测系统的监测结果与摄像头记录的真实监测结果并进行误差分析。为了进一步对本研究所提出的呼吸监测系统的多目标呼吸监测能力进行充分的验证,对人类进行呼吸监测试验。试验结果表明,本系统对单只奶山羊的平均呼吸监测误差为0.32次/分钟;对两只奶山羊的平均呼吸监测误差为0.46次/分钟;对三只奶山羊的平均呼吸监测误差为0.48次/分钟,可以实现呼吸频率相近多个被测目标的呼吸监测并具备被测目标数量自动识别的能力。综上,本研究提出的呼吸监测系统不会对奶山羊的日常状态产生干扰,解决了对被测目标的位置和朝向及遮挡敏感的问题以及对多目标呼吸监测能力不足的问题,可以实现对位置和朝向及遮挡鲁棒的奶山羊多目标静息呼吸监测。
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